換熱管外壁的水膜在空氣中蒸發時碳酸鈣污垢生長特性的研究

許雋杰， 章立新， 趙 彥， 劉 津， 趙圣仙，高 明， 陳永保， 劉婧楠

（1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室，上海 200093；2.上海安得利節能科技集團股份有限公司，上海 201814）

蒸發冷卻（冷凝）器和閉式冷卻塔被廣泛用于冶金、石化、食品和能源等領域，用于排放工藝系統中的廢熱，其工作原理是工藝介質所攜帶的廢熱通過換熱管管壁傳遞給管外壁上的噴淋水，噴淋水同時與管外流動的空氣進行對流換熱和蒸發傳熱，最終熱量由空氣帶出設備，排放到大氣環境中。

由于噴淋水中存在鈣離子等成分，其在換熱管外壁吸熱和向空氣放熱的過程中，由于噴淋水蒸發，過飽和狀態的噴淋水中溶解的無機鹽在流動狀態下析出并附著在換熱管外壁上，外壁會逐漸積聚起固態或軟泥狀物質，這種積聚過程稱為結垢［1］。此類無機鹽以碳酸鈣、硫酸鹽和硅酸鹽等為主，其中碳酸鈣極易在換熱管外壁上堆積，形成較厚的污垢層，污垢熱阻大幅增大［2-4］，使得傳熱系數減小，能耗增加，且換熱管的設計換熱面積也需大幅增加。研究發現，換熱設備表面污垢厚度每增加1 mm就會使換熱器效率降低10%～20%［5］。當管壁污垢厚度達到2 mm時，冷卻器效率會比無垢時下降30%［6］。張吉禮等［7］研究發現，由于污垢的存在，許多設備的設計換熱面積比沒有污垢的情況下要大30%～40%，引起的經濟損失占其國民生產總值（GNP）的0.28%～0.35%。因此，研究換熱管外壁水膜在空氣中蒸發時碳酸鈣污垢的生長特性顯得十分重要。

筆者搭建了一套模擬換熱管外壁水膜在空氣中蒸發的實驗裝置，研究了在不同噴淋水質量濃度以及不同氣水流向下換熱管外壁的結垢過程，從熱阻和污垢晶型兩方面分析了碳酸鈣污垢的生長特性。

1 實驗裝置及原理

1.1 換熱管外壁噴淋結垢實驗裝置

如圖1所示，實驗裝置由噴淋水系統和不同氣水流向的污垢熱阻測試模塊以及測試儀表組成。其中，噴淋水系統由水池、流量調節閥、水泵、電加熱棒、空氣冷卻器（簡稱空冷器）、小型增壓泵和補水罐等組成。水池的進出口溫度由熱電偶進行測量，采用電加熱棒和空冷器調節水池溫度。噴淋水體積流量通過流量調節閥調節，并由流量計進行測量。進入不同模塊的噴淋水體積流量由各自的閥門和流量計進行調節及測量。由于噴淋水會部分蒸發，因此采用補水罐補充噴淋水，使水池液位保持穩定。根據旁路上的p H計和電導率儀控制補水中成垢物質的質量濃度，使噴淋水系統的水質保持穩定。

圖1 實驗裝置系統圖Fig.1 System diagram of experimental device

圖2為不同氣水流向的污垢熱阻測試模塊示意圖。圖3為換熱管結構示意圖。換熱管為圓形光管，材質為黃銅，內部裝有電加熱棒，用電加熱棒模擬管內介質釋放的熱量，通過電加熱棒自帶的調功器控制加熱功率P，其最大加熱功率為100 W。為了較為精準地測量出換熱管內壁溫度，在其內壁設置2個測溫截面，每個截面等間距放置3個熱電偶，熱電偶探頭緊貼銅管內壁，測得截面1上的溫度分別為Tis11、Tis12和Tis13，截面2上的溫度分別為Tis21、Tis22和Tis23。6個測點之間的溫差均不超過2 K，取其平均值作為換熱管內壁溫度Tis。上集水槽和下集水槽內與換熱管測溫截面對應位置也各布置2個熱電偶，分別測量噴淋水噴淋到換熱管前、后的溫度Twi1、Twi2和Two1、Two2，將4個溫度的平均值作為換熱管外壁水膜溫度Tw。

圖2 不同氣水流向的污垢熱阻測試模塊示意圖Fig.2 Schematic diagram of fouling resistance test module at different air water flow directions

圖3 換熱管結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of heat exchange tube

1.2 實驗原理

在實驗狀態穩定的情況下，換熱管外壁通過污垢層與噴淋水之間的總換熱量即為換熱管內的加熱功率P。

式中：K為換熱管與噴淋水間的傳熱系數，W／（m2·K）；A為換熱面積（以外表面計），m2；Tos為換熱管外壁溫度，K。

換熱管外壁溫度］為：

式中：λ為換熱管的導熱系數，W／（m·K）；di為換熱管內徑，m；do為換熱管外徑，m；L為換熱管換熱有效長度，m。

換熱管與噴淋水間的傳熱系數K為：

式中：K（t）為t時刻換熱管與噴淋水間的傳熱系數，W／（m2·K）。

因此，只需要控制電加熱棒的加熱功率一定，測出換熱管內壁溫度Tis，噴淋水進、出口水溫Twi和Two，即可計算出換熱管外壁溫度Tos以及換熱管與噴淋水間的傳熱系數K，進而得到污垢熱阻Rf。

2 實驗方法及過程

為了模擬攜帶無機鹽雜質的噴淋水并加快實驗進程，使用物質的量比為1∶2的無水氯化鈣和碳酸氫鈉配置噴淋水，其質量濃度分別為500 mg／L、1 000 mg／L和1 500 mg／L，實驗用化學藥品見表1。

表1 實驗用化學藥品Tab.1 Chemicals for experiment

采用不同質量濃度的噴淋水進行實驗，每次實驗前洗凈所有管路和換熱管表面，保證無水垢存在，并在水池和補水罐中加入調配好的噴淋水。實驗開始時先調節噴淋水溫度。其具體過程是關閉污垢熱阻測試模塊前的閥門，打開水泵，從水池中抽取噴淋水，抽取的噴淋水經過旁路回到水池，打開水池中的電加熱棒和管路系統中的小型增壓泵及空冷器，通過調節水池中電加熱棒功率和空冷器的風機轉速，使噴淋水溫度達到實驗所需初始水溫。然后，打開污垢熱阻測試模塊前的閥門，調節經過各污垢熱阻測試模塊的噴淋水體積流量，使其達到實驗設計值，此時噴淋系統將抽取的溶液同時均勻噴灑到3個污垢熱阻測試模塊上，再回到水池，完成一個循環。水循環穩定后打開3個污垢熱阻測試模塊上的風機，使外界空氣通過橫流、順流和逆流的方式與噴淋水進行熱質交換，同時將3個換熱管中的電加熱棒功率均調節為20 W，并適當降低水池中電加熱功率。實驗中，通過調節空冷器風機轉速和水池中電加熱棒的加熱功率來保持噴淋水溫度基本穩定。實驗過程中通過數據采集儀記錄數據。每組實驗穩定運行24 h，每1 min記錄1次數據，并對噴淋水質量濃度為500 mg／L下的換熱管外壁污垢進行烘干剝離，進而進行電鏡形貌分析。

3 結果與分析

加熱功率為20 W時，在干球溫度為14.9～15.5℃、相對濕度為70%～86%范圍內，換熱管內壁溫度Tis為30～34℃。

3.1 噴淋水質量濃度對碳酸鈣結垢的影響

圖4給出了不同噴淋水質量濃度下換熱管外壁污垢熱阻的變化。與噴淋水質量濃度為500 mg／L和1 000 mg／L相比，噴淋水質量濃度為1 500 mg／L時污垢熱阻明顯較大，可以達到8×10-4m2·K／W，而噴淋水質量濃度為500 mg／L時污垢熱阻最小。噴淋水質量濃度為1 000 mg／L和500 mg／L時污垢熱阻在480 min運行時間內相差很小，隨著運行時間的延長，兩者差距有所增大，達到960 min后其差值趨于穩定，約為1.5×10-4m2·K／W。噴淋水質量濃度從500 mg／L增大至1 000 mg／L和1 500 mg／L時，1 440 min后3種氣水流向下污垢熱阻平均值分別增大了52.5%和187.8%，其中橫流狀態下噴淋水質量濃度為1 500 mg／L時的污垢熱阻較噴淋水質量濃度為500 mg／L和1 000 mg／L時分別高出3.64倍和2.29倍，與其他氣水流向相比，污垢熱阻差值最大。此外，運行時間達到60～960 min時在高噴淋水質量濃度（1 500 mg／L）、橫流狀態下污垢熱阻增速十分迅速，之后趨于平穩，而在低噴淋水質量濃度（500 mg／L）、順流狀態下，污垢熱阻變化最為平緩。

圖4 不同噴淋水質量濃度下污垢熱阻的變化Fig.4 Variation of fouling resistance under different spray water mass concentrations

從整體實驗過程可以看出，噴淋水質量濃度對污垢生長的影響很大，在不同氣水流向下噴淋水質量濃度為1 500 mg／L時污垢生長均最快，且污垢熱阻波動性較強，這與楊傳芳等［10］提出的碳酸鈣結垢速率模型較為符合，即污垢熱阻總是波動上升，最終趨于平穩，說明碳酸鈣污垢的生長伴隨著其脫落過程，噴淋水質量濃度越大，污垢熱阻波動現象越明顯。

3.2 氣水流向對碳酸鈣結垢的影響

圖5給出了不同氣水流向下污垢熱阻的變化。從圖5可以看出，1 440 min后在不同噴淋水質量濃度下橫流狀態時污垢熱阻最大，逆流次之。當噴淋水質量濃度較小（500 mg／L）時，不同氣水流向對污垢熱阻的影響較大，1 440 min后橫流狀態下的污垢熱阻比逆流和順流狀態分別高出34.6%和133.3%；噴淋水質量濃度增大至1 000 mg／L和1 500 mg／L后，氣水流向對污垢熱阻的影響減小，噴淋水質量濃度成為最重要的影響因素。結合文獻［11］和文獻［12］可知，在橫流狀態下，氣水的流向相互垂直，水膜在換熱管外壁的停留時間大于逆流和順流狀態下，因此橫流狀態下水膜的穩定性更好，污垢熱阻也最大。在逆流狀態下氣水流向相反，此時進風風壓減緩了換熱管外壁的噴淋水流速，并且會使換熱管外壁上產生“干點”，破壞水膜在換熱管外壁的穩定性，使得生長的污垢不易被沖刷。在順流狀態下氣水流向相同，進風風壓反而會使換熱管外壁的噴淋水流速增加，污垢更易脫落，因此污垢熱阻最小。這一結論也與沈濤［13］的研究結果一致。綜上，較小的噴淋水質量濃度對污垢生長的影響不能完全體現，此時氣水流向對污垢的生長有一定影響；當噴淋水質量濃度較大時，氣水流向對污垢生長的影響與噴淋水質量濃度的作用相比較小，此時噴淋水質量濃度對污垢生長的影響較大。

圖5 不同氣水流向下污垢熱阻的變化Fig.5 Variation of fouling resistance under different air water flow directions

3.3 污垢晶型

選取順流狀態下噴淋水質量濃度為500 mg／L的實驗工況，在運行時間達到1 440 min的條件下將換熱管外壁烘干并剝離污垢，對污垢進行電鏡形貌分析。圖6為順流狀態下污垢的微觀形貌。由圖6可知，污垢粒徑范圍為5～10μm，形狀多為方形六面體結構，呈典型方解石特征，每個面均較平整且棱角分明，同時局部碳酸鈣顆粒通過晶面沉積堆疊，會形成整齊致密的垢層。但總體來看，換熱管外壁聚集的污垢并不完全致密，少量污垢成分聚集成團，多數污垢呈零散狀態。因此，換熱管外壁污垢的生長是沉積和脫除的疊加過程。成團聚集的污垢更容易吸引新的污垢成分，而零散污垢則易被水流沖刷而脫落，這與Hasson等［14-15］的研究結論相符。

圖6 順流狀態下污垢的微觀形貌Fig.6 Micromorphology of fouling under the down-flow mode

4 結 論

（1）噴淋水質量濃度越大，換熱管外壁污垢生長得越快，且污垢熱阻波動性更強。噴淋水質量濃度由500 mg／L增大至1 000 mg／L和1 500 mg／L時，運行時間達到1 440 min后3種氣水流向下污垢熱阻平均值分別增大了52.5%和187.8%。

（2）在不同噴淋水質量濃度下橫流狀態時污垢熱阻最大，逆流次之。在低噴淋水質量濃度時氣水流向對污垢熱阻的影響較大；隨著噴淋水質量濃度的增大，氣水流向對污垢生長的影響逐漸減小。當噴淋水質量濃度較大時，氣水流向對污垢生長的影響與噴淋水質量濃度的作用相比較小。

（3）污垢粒徑范圍為5～10μm，污垢呈典型方解石特征。污垢在換熱管外壁的聚集并不完全致密，少量污垢成分聚集成團，多數污垢呈零散狀態，其生長過程為沉積和脫除的疊加過程。